گازی سازی در محفظه گسیفایر، شبیه سازی با انسیس فلوئنت

توضیحات

شرح پروژه (گازی سازی)

هدف از این مسأله، شبیه سازی عددی فرایند گازی سازی (gasification) درون یک محفظه گسیفایر (gasifier) با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) است.

فرآیند گازی سازی به مجموعه‌ای از واکنش‌های شیمیایی (chemical reaction) گفته می‌شود که در آن یک ماده مبتنی‌برکربن به کربن مونوکسید، هیدروژن و دی‌اکسید کربن تبدیل می‌شود. محصول این فرآیند به عنوان یک منبع انرژی تجدید پذیر (renewable energy) محسوب می‌شود که کاربردهای فراوانی در صنعت دارد.

مدل سه بعدی حاضر با استفاده از نرم افزار دیزاین مدلر (Design Modeler) طراحی شده است. هندسه مدل از یک محفظه استوانه‌ای دو قسمتی به طول 7.5 متر و قطر 0.8 متر تشکیل شده است. به طوری که قسمت بالایی دارای طولی برابر با 5 متر و قسمت پایینی دارای طولی معادل 2.5 متر است. قسمت پایینی از دو مخروط در دو طرف آن در جهت مخالف تشکیل شده است.

به طوری که مخروط وسط محفظه دارای قطر 0.6 متر و ارتفاع 0.3 متر و مخروط پایین محفظه دارای قطر 0.8 متر و ارتفاع 0.35 متر است. دو لوله برای ورودی سوخت در قسمت زیرین محفظه به صورت استوانه‌ای باریک به قطر 0.1 متر اما در جهت مخالف یکدیگر و با زاویه 180 درجه تعبیه شده است.

دو لوله ورودی آب مایع در وسط محفظه به صورت استوانه‌ای باریک به قطر 0.05 متر اما در جهت مخالف یکدیگر و با زاویه 180 درجه قرار دارند. لوله خروجی محصول با قطر 0.2 متر در بالای محفظه قرار می‌گیرد.

مش بندی مدل با استفاده از نرم افزار انسیس مشینگ (ANSYS Meshing) انجام شده است. مش بندی از نوع بدون سازمان بوده وتعداد 219170 سلول ایجاد شده است.

روش‌های استفاده شده

در این پروژه، ماده‌ای به عنوان سوخت تعریف می‌شود، با چگالی (density) معادل 1550 کیلوگرم بر مترمکعب و ظرفیت گرمایی ویژه (specific heat capacity) معادل 1680 j/kg.K که به داخل محفظه پاشیده شده و با بخار آب در یگ دمای بالا واکنش نشان می‌دهد. بخار آب نیز با فرآیند تبخیر قطرات آب در داخل محفظه ایجاد می‌شود. بنابراین، برای شبیه سازی این مدل نیاز به تعریف فازهای گسسته در محیط فاز پیوسته می‌باشد.

از این رو، مدل فاز گسسته (discrete phase model (DPM)) همراه با فرآیند تزریق (injection) برای این شبیه سازی استفاده می‌شود.

جریان سوخت از ناحیه پایینی به صورت ذرات راکد (inert) با سرعت 30 m/s، دمای 393.15 کلوین و دبی جرمی 0.2 kg/s وارد محفظه گسیفایر می‌شود. در حالی که جریان آب مایع به صورت قطرات با سرعت m/s 122، دمای .15673 کلوین و دبی 0.02 kg/s از ناحیه میانی وارد محفظه شده و تحت فرآیند تبخیر به بخار آب برای واکنش با ذرات سوخت تبدیل می‌شود.

ورود این دو جریان به داخل محفظه منجر به واکنش بین آنها می‌شود. برای تقویت و تسریع فرآیند واکنش بین آنها، از دو ناحیه مخروطی شکل در دو طرف این جریان‌های ورودی استفاده شده است. همچنین هر جریان ورودی از دو لوله در جهت مخالف یکدیگر و با زاویه 180 درجه نسبت به یکدیگر وارد محفظه می‌شود که هر دو منجر به جریان گردابی شده و در نتیجه اختلاط دو جریان را تقویت می‌کند.

همچنین در شبیه سازی حاضر لازم است که واکنش‌های شیمیایی بین جریان‌های ورودی و تولید گونه‌های گازی مورد نظر تعریف شود. بنابراین، برای مدلسازی مذکور از مدل انتقال گونه‌ها (species transport) با واکنش‌های حجمی استفاده شده است و برای تعریف نوع واکنش دهنده‌ها و فرآیند واکنش‌های شیمیایی از مکانیزم CHEMKIN استفاده شده است که شامل 5 واکنش شیمیایی دربرگیرنده 8 نوع واکنش دهنده و محصول مختلف است.

این مدل همچنین فرض می‌کند که انتقال حرارت تشعشع به دلیل واکنش‌های شیمیایی در داخل محفظه گسیفایر رخ می‌دهد و از این رو، مدل P1 برای شبیه‌سازی انتقال حرارت تابشی تعریف می‌شود.

نتایج

در پایان فرآیند حل، کانتورهای (contour) سه بعدی دما و سرعت، بردارهای (vector) سرعت سه بعدی و یک ردیابی دنباله مسیر ذرات (particle tracking) به دست می‌آیند.